Projeto e dimensionamento de um sistema fotovoltaico em ilha com baterias e gerador elétrico

Abstract

A presente dissertação tem como objetivo o dimensionamento técnico, seleção de equipamentos, simulação e avaliação económica de um sistema fotovoltaico em ilha, “off-grid”, destinado a suprimir os consumos de um alojamento rural localizado no Torrão, concelho de Alcácer do Sal. O caso de estudo corresponde ao Hotel Rural – Quinta da Horta Velha que terá o seu início de funcionamento realizado de forma faseada pois o mesmo ainda se encontra em fase de construção. Esta condição obriga a uma solução fotovoltaica transitória que garanta tanto a alimentação dos consumos associados à primeira fase de edificação como a possibilidade de expansão futura. Primeiramente foi efetuada uma caracterização do local de implantação, do recurso solar disponível e das necessidades de consumo de todo o alojamento rural. Tendo, posteriormente, sido caracterizados os consumos relativos à primeira fase de construção, permitindo assim dimensionar o sistema garantindo a alimentação dos consumos sem comprometer a expansão do mesmo. Após a caracterização dos consumos, procedeu-se ao dimensionamento do gerador fotovoltaico, do banco de baterias, dos inversores carregadores, do grupo eletrogéneo, da cablagem e das proteções elétricas AC e DC. A solução proposta contempla um gerador fotovoltaico com 64,48 kWp, composto por 104 módulos JA Solar de 620 W, um inversor de rede SMA STP 50-80, seis inversores carregadores SMA Sunny Island SI 6.0H, 20 baterias Dyness PowerBrick Plus e um grupo eletrogéneo Himoinsa. A validação técnica do dimensionamento foi realizada com recurso ao “software” “PVsyst”, possibilitando analisar o desempenho do sistema proposto, sendo demonstrado que grande parte das necessidades energéticas pode ser assegurada através do sistema fotovoltaico, ficando o gerador de “backup” destinado para períodos de défice energético. Por fim, foi efetuada uma análise económica recorrendo a duas metodologias: a analise económica resultante da simulação do “PVsyst” e uma ferramenta de cálculo em Excel, fornecida no decorrer das aulas do mestrado, sendo comparados três cenários: solução com ligação à rede sem baterias, solução com ligação à rede com baterias e solução sem ligação à rede. Os resultados demonstraram que a solução com ligação à rede e sem baterias apresenta os melhores indicadores financeiros, no entanto a solução “off-grid”, apesar de apresentar maior investimento inicial, revela-se a mais adequada aos objetivos do projeto delineado para o Hotel Rural – Quinta da Horta Velha. Assim conclui-se que o sistema fotovoltaico em ilha é a solução mais vantajosa tecnicamente, pois os valores económicos menos positivos são devidos ao sobredimensionamento do sistema necessário para garantir a futura expansão; - Abstract: Design and Sizing of an Islanded Photovoltaic System with Battery Storage and Diesel Generator - The present dissertation aims to carry out the technical design, equipment selection, simulation and economic evaluation of an off-grid photovoltaic system intended to supply the energy demand of a rural accommodation facility located in Torrão, within the municipality of Alcácer do Sal. The case study corresponds to Hotel Rural – Quinta da Horta Velha, whose operation will commence in a phased manner, as the facility is still under construction. This condition requires a transitional photovoltaic solution capable of supplying the energy demand associated with the first construction phase while ensuring the possibility of future expansion. Initially, a characterization of the installation site, the available solar resource and the energy demand of the entire rural accommodation facility was performed. Subsequently, the energy consumption associated with the first construction phase was analysed, enabling the system to be sized in order to meet the expected demand without compromising future expansion. Following the load assessment, the photovoltaic generator, battery bank, battery inverters, diesel generator, cabling and AC and DC electrical protection systems were sized. The proposed solution comprises a 64.48 kWp photovoltaic system consisting of 104 JA Solar 620 W modules, one SMA STP 50-80 grid-connected inverter, six SMA Sunny Island SI 6.0H battery inverters, 20 Dyness PowerBrick Plus batteries and one Himoinsa diesel generator. The technical validation of the proposed design was carried out using the PVsyst software, allowing the performance of the system to be assessed. The results demonstrated that a significant share of the energy demand can be supplied by the photovoltaic system, with the backup generator being required only during periods of energy deficit. Finally, an economic analysis was conducted using two different methodologies: the economic assessment provided by the PVsyst simulation and an Excel-based calculation tool given during the master’s programme. Three scenarios were compared: a grid-connected system without batteries, a grid-connected system with batteries and an off-grid system. The results showed that the gridconnected solution without batteries presents the most favourable financial indicators. However, despite its higher initial investment, the off-grid solution proved to be the most suitable option for achieving the objectives defined for Hotel Rural – Quinta da Horta Velha. It can therefore be concluded that the off-grid photovoltaic system represents the most advantageous technical solution, while the less favourable economic indicators are mainly associated with the system oversizing required to accommodate the future expansion of the facility.